(57)【要約】【課題】  本発明は、タービン組立体用の高温ガス通路構成部品を冷却するための相互作用的方法を提供する。【解決手段】  構成部品（１０）は、内側部分（１４）及び外側部分（１６）を有する少なくとも１つの壁（１２）を含む。多数のピン（１８）が、壁の内側及び外側部分間で延びる。ピンは、多数の流路（２２）を有するメッシュ冷却構成（２０）を形成する。多数のタービュレータ（３６）が、壁の内側及び外側部分の少なくとも１つに配置される。かかるピン（１８）は２以下又は約２に等しい（Ｈ／Ｄ≦２．０）高さ対直径比を有している。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側部分（１４）及び外側部分（１６）を有する少なくとも１つの壁（１２）と、
前記壁の内側及び外側部分間で延び、かつ複数の流路（２２）を含むメッシュ冷却構成（２０）を形成する複数のピン（１８）と、
前記壁の内側及び外側部分の少なくとも１つに配置された複数のタービュレータ（３６）と、
を含む構成部品（１０）。
【請求項２】
前記ピン（１８）が約２以下又は約２に等しい（Ｈ／Ｄ≦２．０）高さ対直径比を特徴としている、請求項１記載の構成部品（１０）。
【請求項３】
前記ピン（１８）が約１以下（Ｈ／Ｄ＜１．０）の高さ対直径比を特徴としている、請求項２記載の構成部品（１０）。
【請求項４】
前記タービュレータ（３６）が、前記壁（１２）の内側及び外側部分（１４、１６）の少なくとも１つに形成されている、請求項３記載の構成部品（１０）。
【請求項５】
前記タービュレータ（３６）が、前記ピン（１８）のそれぞれの対間で冷却流（４０）に対して直交する方向（３８）に延びている、請求項３記載の構成部品（１０）。
【請求項６】
前記タービュレータ（３６）が、前記ピン（１８）のそれぞれの対間で延びかつ冷却流（４０）に対して或る角度（４２、６２）で配向されている、請求項３記載の構成部品（１０）。
【請求項７】
第１のサブセット（４４）のタービュレータ（３６）が、前記ピン（１８）のそれぞれの対間で延びかつ冷却流（４０）に対して第１の角度（４２）で配向され、第２のサブセット（４６）のタービュレータ（３６）が、前記ピンのそれぞれの対間で延びかつ前記冷却流に対して第２の角度（６２）で配向され、前記第１及び第２の角度が交差している、請求項３記載の構成部品（１０）。
【請求項８】
前記タービュレータ（３６）のそれぞれの対が、前記壁（１２）の内側及び外側部分（１４、１６）のそれぞれの部分にＶ形タービュレータ（４８）を形成している、請求項３記載の構成部品（１０）。
【請求項９】
前記Ｖ形タービュレータの少なくとも１つが、冷却流（４０）に対して上流方向に配向された頂部（５６）を有する、請求項８記載の構成部品（１０）。
【請求項１０】
前記Ｖ形タービュレータ（４８）の少なくとも１つが、冷却流（４０）に対して下流方向に配向された頂部（５６）を有する、請求項８記載の構成部品（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはタービン組立体用の高温ガス通路構成部品に関し、より具体的には、高温ガス通路構成部品を冷却するための相互作用的方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例示的なガスタービンエンジンは、航空機又は定置式動力用途に用いられ、エンジン効率が、両用途において重要な設計基準である。ガスタービンエンジンの効率は、燃焼ガス流の温度が上昇するにつれて向上する。しかしながら、ガス流温度における制約要因は、タービンステータやロータ翼形部のような様々な高温通路構成部品の耐熱能力である。ステータ翼形部はベーン又はノズルとしても知られており、またロータ翼形部はブレード又はバケットとしても知られている。
【０００３】
エンジンの上限作動温度を上昇させるために、高温ガス通路構成部品を冷却することについての様々な方法が、これまで提案されかつ実施されてきた。これらの方法の幾つかが、特許文献１において検討されており、この特許はその開示内容全体が参考文献として本明細書に組み入れられる。これらの冷却法は一般的に、圧縮機から加圧空気を抽気して冷却媒体として役立てることを含む。しかしながら、加圧空気をエンジンの燃焼ゾーンの周りにバイパスさせて高温ガス通路構成部品を冷却することにより、エンジンの全体効率が低下する。従って、エンジン全体効率を向上させるためには、高温ガス通路構成部品の冷却効率を高めることが望ましい。
【０００４】
１つの有利な冷却法は、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されているようなメッシュ冷却であり、後者の特許はその開示内容全体が参考文献として本明細書に組み入れられる。
【特許文献１】米国特許第５，６９０，４７２号
【特許文献２】米国特許第５，３７０，４９９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、高温ガス通路構成部品の冷却をさらに改善することに対する要求が、依然として存在している。この要求は、翼形部の後縁のような薄い翼形部壁及び／又は利用制限領域を冷却することに対して特に強い。従って、高温ガス構成部品において冷却効率を高めることは望ましいと言える。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの実施形態により、構成部品を簡潔に説明する。構成部品は、内側部分及び外側部分を有する少なくとも1つの壁を含む。多数のピンが、壁の内側及び外側部分間で延びる。ピンは、多数の流路を有するメッシュ冷却構成を形成する。多数のタービュレータが、壁の内側及び外側部分のうちの少なくとも1つに配置される。
【０００７】
本発明のこれら及び他の特徴、態様並びに利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、一層良く理解されるようになるであろう。なお、図面においては、図面を通して同じ参照符号が同じ部品を表している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１〜図４を参照して、本発明の構成部品１０の実施形態を説明する。例示的な構成部品には、ブレード、ベーン、端壁及びシュラウドのような高温ガス通路構成部品が含まれる。本発明は、ステータ及びロータ組立体の他の部分並びにアフタバーナのような他の高温セクションにも同様に適用可能である。さらに、本発明は、航空機用エンジン及び地上設置式出力タービンのような様々な大きさ及び用途のガスタービンにも適用される。メッシュ冷却式高温ガス通路構成部品である従来型の高温ガス構成部品は、よく知られている。図示する構成部品１０は全く例示的なものであり、また本発明は、いかなる特定の構成部品形式にも限定されるものではない。例えば図1及び図２に示すように、構成部品１０は、内側部分１４及び外側部分１６を有する少なくとも1つの壁１２を有する。例えば図３及び図４に示すように、構成部品１０はさらに、構成部品壁１２の内側及び外側部分１４、１６間で延びる多数のピン１８を含む。ピンは、多数の流路２２を含むメッシュ冷却構成２０を形成する。例示的なピン形状は、製造方法に応じて丸みがあるか又は角張っている。例示的なピン形状は、円筒形及び丸みのある菱形を含む。形状は一部、例えば後述するタービュレータのような他の冷却強化要素との間の相互作用を増強するためにより指向性のある冷却流を得るように選択することができる。インベストメント鋳造法は丸みのあるピンを形成するが、製作方法によってはより角張ったコーナ部が得られる。構成部品１０はさらに、例えば図３及び図４に示すように、構成部品壁１２の内側及び外側部分１４、１６の少なくとも１つに配置された多数のタービュレータ３６を含む。３つの具体的な実施形態によると、タービュレータ３６は、壁１２の内側部分１４に、壁１２の外側部分１６に、また壁１２の内側及び外側部分１４、１６の両方に形成される。
【０００９】
従来型のピンバンクは、２を超える大きい高さ対直径（Ｈ／Ｄ）比を有する。ピン高さＨ及び直径Ｄを図４に示す。これと対照的に、ピン１８は、約２以下又は約２に等しい（Ｈ／Ｄ≦２．０）高さ対直径比、より具体的には約１以下（Ｈ／Ｄ＜１．０）の高さ対直径比、さらにより具体的には約０．１〜約０．３（０．１＜Ｈ／Ｄ＜０．３）の範囲の高さ対直径比を特徴としている。その結果、ピン１８は、全体として約４０％又はそれ以上を閉塞した状態のメッシュ冷却構成２０（即ち、「フローネットワークメッシュ」）を形成する。この場合の閉塞というのは、現在ピンによって塞がれている開口した状態になっていない流路断面積の割合を意味する。このメッシュ冷却構成２０内にタービュレータ３６を配置することによって、流れの一層の混乱が得られ、それによって熱伝達効率が高められる。タービュレータ３６は、大きな材料又は重量付加なしに大きな流れの混乱を生じさせる利点がある。このことは、メッシュ冷却構成内により大きいピン間の間隔を可能にし、これにより、構成部品１０の重量を軽減する。さらに、渦流式（タービュレータ付き）メッシュ冷却構成２０により得られた高い熱伝達効率により、高い耐熱性能で許容可能な全圧損失をもたらすサーキュラ及び他の低圧力損失のピン１８の使用が可能になる。「サーキュラ」というのは、ピン１８がほぼ円形断面（例えば、菱形と比較して）を有することを意味する。従って、例示的なサーキュラピンは、構成部品壁１２の内側及び外側部分１４、１６間で延びる円筒体である。低圧力損失ピンの他の実施例には、長円形及び楕円形ピンが含まれる。低圧力損失をもたらすことに加えて、サーキュラピン１８はまた、製造の容易さの観点からも望ましい。
【００１０】
図３は、直交タービュレータ構成を示す。図示するように、タービュレータ３６は、ピン１８のそれぞれの対間で冷却流４０に対して直交する方向３８に延びる。この直交タービュレータ構成に加えて、タービュレータ３６はさらに、傾斜構成で配置することもできる。例えば、図５は、ピン１８のそれぞれの対間で延びかつ冷却流４０に対して或る角度４２で配向されたタービュレータ３６を示す。図６は、「交互セグメント化」タービュレータの例示的な構成を示し、この「交互セグメント化」タービュレータの場合には、第１のサブセット４４のタービュレータ３６は、ピン１８のそれぞれの対間で延びかつ冷却流４０に対して或る角度４２で配向される。第２のサブセット４６のタービュレータ３６は、ピン１８のそれぞれの対間で延びかつ冷却流４０に対して第２の角度６２で配向される。図６の例示的な実施形態の場合には、第１及び第２の角度４２、６２は交差している。「交差角度」というのは、第１及び第のサブセット４４、４６内のそれぞれのタービュレータ３６が、平行でないことを意味する。換言すれば、第１のサブセット４４内のそれぞれのタービュレータは、それらが交差するほど十分に長いと仮定した場合に該第１のサブセット４４内のそれぞれのタービュレータが第２のサブセット４６内の対応するタービュレータと交差することになるように、該第２のサブセット４６内のタービュレータ３６に対して配向される。第１及び第２のサブセット４４、４６のタービュレータ３６の部材の正確な相対的配向は、例えばピン１８間の間隔に基づいて変化することになる。
【００１１】
図７を参照して、Ｖ形タービュレータの実施形態を説明する。例えば図７に示すように、タービュレータ３６のそれぞれの対が、構成部品壁１２の内側及び外側部分１４、１６のそれぞれの部分にＶ形タービュレータ４８を形成する。図７の具体的な実施形態の場合には、Ｖ形タービュレータ４８は、セグメント化Ｖ形タービュレータである。セグメント化位置は、図７に示すように、開いた頂部５６に対応する。開いた頂部５６を設けることによるセグメント化は、より有効な流体渦を発生させる利点がある。タービュレータセグメント３６の傾斜した方向に沿う対流により、耐熱強化に極めて有効なある種の二次的渦動状態が誘起される。
【００１２】
図７の例示的な実施形態の場合には、Ｖ形タービュレータ４８の各々は、冷却流４０に対して上流方向に配向された頂部５６を有する。他の構成は、冷却流４０に対して下流方向に配向された頂部５６を有する少なくとも１つのＶ形タービュレータ４８を含む。さらに、図７の比較的密なセグメント化Ｖ形パターンは全く例示的なもので、それほど密でないセグメント化パターンもまた本発明に包含される。
【００１３】
メッシュ冷却構成内にセグメント化Ｖ形タービュレータ構成を組み込むことにより、特有の耐熱強化が得られる。例えば、冷却流４０は、隣接するピン１８間のギャップを通して加速され、この加速した冷却流が、次ぎにＶ形タービュレータ４８の開いた頂部部分５６と相互作用して、混合及び対流渦（図示せず）を発生する。さらに、Ｖ形タービュレータ４８は、冷却流のピン１８の下流側表面区域５８との相互作用を高める。これらの相互作用の結果として、熱伝達が高められる。
【００１４】
図８を参照して、ディンプル及びタービュレータ付き実施形態を説明する。例えば図８に示すように、構成部品１０はさらに、構成部品壁１２の内側及び外側部分１４、１６の少なくとも１つに設置した多数のディンプル２４を含む。３つの具体的な実施形態によると、ディンプル２４は、壁１２の内側部分１４に、壁１２の外側部分１６に、また壁１２の内側及び外側部分１４、１６の両方に形成される。例示的なディンプル２４は、標準的な航空機用エンジン用途の場合には約０．０１０〜約０．０３０インチの中心深さ及び約０．０１０〜約０．１２インチの表面直径を有する。標準的な出力タービン用途の場合には、例示的なディンプルは、約０．０１０〜約０．０６０インチの中心深さ及び約０．０１０〜約０．２５０インチの表面直径を有する。ディンプル２４は、多数の形状で形成することができる。図８及び図９の例示的な実施形態の場合には、ディンプル２４は、凹形であり、より具体的には、半球形もしくは半球形の一部である。別の例示的なディンプル形状は、完全な円錐形又は切頭円錐形の両方を含む円錐形状である。ディンプル２４は、冷却流内に流体渦を形成することによって構成部品壁１２付近に混合を引き起こし、それによって壁１２及びピン表面上における熱伝達を高める利点がある。その上、ディンプル２４はまた、表面積を増大させてピン１８によって覆われた面積を補うのに役立つ。このように、本発明は、相互作用的方法で異なる耐熱強化要素を活用する。
【００１５】
図８の線９−９に沿って取ったメッシュ冷却構成の実施形態の長手方向断面図である図９を参照して、能動−受動蒸散及び対流冷却の実施形態を説明する。図９の例示的な実施形態の場合には、ディンプル２４は、図示するように壁１２の外側部分１６に設置される。より具体的には、少なくとも１つの皮膜３４が、壁１２の外側部分上に配置される。例示的な皮膜３４は、断熱皮膜３４である。図９の例示的な実施形態の場合には、図示するディンプル２４の各々は、壁１２の外側部分１６を貫通して延びてそれぞれの冷却孔３２を形成し、また冷却孔３２の各々は、皮膜３４によって少なくとも部分的に被覆される。壁１２の外側部分１６を貫通して延びることによって、ディンプル２４は、構成部品壁１２に対してフィルム冷却を施す利点がある。より具体的には、壁１２の外側部分１６を貫通して延びて冷却孔３２を形成するディンプルは、蒸散冷却を生じるのに対して、壁の外側部分を貫通して延びていないディンプル２４（明確には図示しない）は、対流冷却を生じる。
【００１６】
所望のレベルの冷却及び特定の構成部品特性に応じて、ディンプル２４は、上述のように構成部品壁１２の内側部分１４又は外側部分１６のどちらか一方、或いは内側及び外側部分１４、１６の両方に形成することができる。同様に、ディンプル２４は、変化する深さ及び／又は直径で形成して、ディンプルの一部又は全てが構成部品壁１２のそれぞれの内側及び外側部分１４、１６を貫通して延びるか或いはいずれものディンプルが全く構成部品壁１２のそれぞれの内側及び外側部分１４、１６を貫通して延びないようにすることができる。ディンプル２４が壁１２のそれぞれの内側部分１４又は外側部分１６を貫通して延びる場合には、ディンプルは、冷却孔３２を形成し、構成部品壁１２に対して蒸散冷却を施す。ディンプル２４が壁１２のそれぞれ内側部分１４又は外側部分１６を貫通して延びていない場合には、ディンプルは、対流を生じて構成部品壁１２を冷却するのに役立つ。
【００１７】
本明細書では本発明の特定の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者は多くの改良及び変更を思いつくであろう。従って、特許請求の範囲により、そのような全ての改良及び変更が本発明の技術思想内に含まれるものとして保護されることを意図していることを理解されたい。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】翼形部を有する例示的な高温ガス通路構成部品を示す図。
【図２】図１の線２−２に沿って取った、図１の翼形部の断面図。
【図３】直交タービュレータを備えた、図２のメッシュ冷却構成の例示的な実施形態の拡大長手方向断面図。
【図４】図３の線４−４に沿って取ったタービュレータ付きメッシュ冷却構成の長手方向断面図。
【図５】傾斜タービュレータを備えた、図２のメッシュ冷却構成の別の例示的な実施形態の拡大長手方向断面図。
【図６】交互セグメント化タービュレータを備えた別の例示的なメッシュ冷却構成を示す図。
【図７】セグメント化Ｖ形タービュレータを備えた例示的なメッシュ冷却構成を示す図。
【図８】例示的なディンプル及びタービュレータ付きメッシュ冷却構成を示す図。
【図９】ディンプル及びタービュレータ付きメッシュ冷却構成の能動−受動蒸散及び対流冷却の実施形態を示す図。
【符号の説明】
【００１９】
１０  構成部品
１２  壁
１４  壁の内側部分
１６  壁の外側部分
１８  ピン
２０  メッシュ冷却構成
２２  流路
２４  ディンプル
３４  皮膜
３６  タービュレータ
４０  冷却流
４８  Ｖ形タービュレータ
５６  Ｖ形タービュレータの頂部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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